干濕兩用冷卻塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉乃玲,李 楠,李 偉

(1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院,濟(jì)南250101;2.同濟(jì)大學(xué)博士后流動(dòng)站,上海200092)

1 引 言

在開式冷卻水系統(tǒng)中,水與外界相接觸,運(yùn)行一段時(shí)間后,空氣中的污染物如灰塵、雜物、可溶性氣體以及細(xì)菌等,均可進(jìn)入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。隨著冷卻水的不斷循環(huán)、蒸發(fā),水中的營(yíng)養(yǎng)源隨之增加,促使藻類微生物迅速繁殖,不僅使冷卻水水質(zhì)惡化,而且還和其它雜質(zhì)摻混形成粘垢,同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)鹽分的濃縮現(xiàn)象[1],使循環(huán)設(shè)備管道腐蝕、結(jié)垢,造成換熱器傳熱效率降低,過水?dāng)嗝鏈p小,甚至使設(shè)備管道腐蝕穿孔,從而降低了制冷設(shè)備的使用壽命。而在干濕兩用冷卻塔中,采用翅片管換熱器,盤管將冷卻水和空氣隔開,被冷卻水在盤管內(nèi)流動(dòng),避免了水與空氣直接接觸,管內(nèi)水質(zhì)較好,有效地保護(hù)了制冷機(jī),提高了制冷機(jī)的工作效率,延長(zhǎng)了制冷機(jī)的使用壽命。并且在過渡季節(jié),可以將濕式運(yùn)行切換到干式運(yùn)行,用空冷的方式滿足運(yùn)行要求。

2 干濕兩用冷卻塔的理論分析

2.1 干濕兩用冷卻塔的工作原理

干濕兩用冷卻塔是一種雙工況運(yùn)行的冷卻塔,其原理為夏季通過噴淋水的蒸發(fā)以冷卻盤管內(nèi)的水,即濕工況。當(dāng)室外氣溫較低時(shí),關(guān)閉噴淋水采用室外空氣直接冷卻,即干工況。其工作原理如圖1所示。

這種冷卻塔由翅片換熱盤管、風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、噴嘴等部分組成,傳熱部分是一個(gè)由翅片換熱盤管組成的蛇形換熱盤管組,管組裝在由型鋼和鋼板焊制的立式箱體內(nèi),箱體最底部為一個(gè)蓄水池。由工藝設(shè)備或冷凝器等出來的溫度較高的冷卻水,通過冷卻水泵加大壓力輸送到干濕兩用冷卻塔的翅片換熱盤管中,在沿?fù)Q熱盤管自上向下流動(dòng)。噴淋水用循環(huán)水泵壓送到換熱盤管的上方,經(jīng)噴嘴噴淋到換熱盤管上面。

圖1 干濕兩用冷卻塔

干濕兩用冷卻塔內(nèi)共有三種流體,分別為冷卻水,噴淋水和空氣。空氣自下向上流動(dòng),噴淋水自上向下流動(dòng)。環(huán)形翅片管將循環(huán)冷卻水與噴淋水通過翅片管壁隔開,管外噴淋水的蒸發(fā)冷卻使得管內(nèi)循環(huán)冷卻水降溫,如圖1所示。噴淋水一部分蒸發(fā),另一部分被底盤收集循環(huán)。管組外表面的溫度高于進(jìn)口空氣的溫度,它們之間產(chǎn)生顯熱交換。噴嘴在管組的外表面形成水膜,微小的水滴蒸發(fā)成水蒸汽,和管組內(nèi)部的水產(chǎn)生潛熱交換,風(fēng)機(jī)的作用使水蒸汽迅速隨空氣排出系統(tǒng)。由此,蛇形管組內(nèi)的高溫循環(huán)冷卻水與空氣發(fā)生顯熱和潛熱交換,以較低的溫度排出蛇形管組[2]。冷卻盤管內(nèi)溫度較高的水通過對(duì)流的方式將熱量傳給盤管的內(nèi)表面,這部分熱量再依靠導(dǎo)熱的方式由盤管的內(nèi)表面?zhèn)鞯奖P管的外表面。由于冷卻盤管的外表面噴淋水,落到冷卻盤管的外表面上,利用對(duì)流換熱和蒸發(fā)換熱將這部分熱量傳遞到空氣中[3]。而天氣氣溫較低時(shí),將噴淋水關(guān)閉,水在管中流動(dòng),空氣在管外流動(dòng),由于水不直接和空氣接觸,水和空氣的傳熱為非接觸傳熱,所以只有顯熱交換。因此,這種冷卻塔適用于水源緊缺,氣溫較低的地區(qū),它具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),在冷卻塔領(lǐng)域正受到人們廣泛的關(guān)注。

2.2 換熱機(jī)理分析

通過理論分析,熱交換公式為:管內(nèi)流體失去的熱量:

Q1=w水c水(T進(jìn)-T出)

換熱器的傳熱量:

Q2=U A△Tm

空氣得到的熱量:

Q3=w空氣c空氣(t2-t1)

式中:

w水—管內(nèi)側(cè)被冷卻流體水的流量,kg/s;

T進(jìn)—水的進(jìn)口溫度,℃;

T出—水的出口溫度,℃;

c水—管內(nèi)側(cè)被冷卻流體水的比熱,kJ/kg℃;

U —總傳熱系數(shù),kW/m2℃;

A—總傳熱面積,m2;

△Tm—對(duì)數(shù)平均溫差,℃;

w空氣—空氣流量,kg/s;

c空氣—空氣的比熱,kJ/kg℃;

t1—空氣進(jìn)口溫度,℃;

t2—空氣出口溫度,℃

這三個(gè)方程式是本文的立足點(diǎn),通過研究分析這三個(gè)方程式之間的關(guān)系,達(dá)到即滿足干式的冷卻要求,又滿足濕式的冷卻要求。

在通常情況下,這三個(gè)基本方程式都是相等的,但為了同時(shí)滿足濕式和干式工況冷卻能力,需要考慮Q1與Q2的大小關(guān)系。

根據(jù)這三個(gè)基本方程式,將相關(guān)條件及參數(shù)代入后,通過計(jì)算和分析來達(dá)到同時(shí)滿足冷卻能力的效果。

2.2.1 濕式時(shí)的總傳熱系數(shù)U濕:

式中:

U濕—從管內(nèi)流體到氣液界面的總傳熱系數(shù),kW/m2℃;

Ai—單位管長(zhǎng)的管內(nèi)面積,Ai=π Di,m2;

Am—單位翅片管對(duì)數(shù)平均直徑為準(zhǔn)的表面積,

Ao—單位管長(zhǎng)的總外表面積,m2;

Ae—單位管長(zhǎng)的有效表面積,m2;

Do—外管徑,m;

Di—管內(nèi)徑,m;

λ—管材的導(dǎo)熱系數(shù),kW/m℃;

hi—管內(nèi)流體水的對(duì)流換熱系數(shù),kW/m2℃;

hl—噴淋水的對(duì)流換熱系數(shù),kW/m2℃

2.2.2 干式時(shí)的總傳熱系數(shù)U干:

式中:

U干—總傳熱系數(shù) (以管外表面積為準(zhǔn)),kW/m2℃;

ho—管外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù),kW/m2℃;

hi—管內(nèi)側(cè)對(duì)流換熱系數(shù),kW/m2℃;

ro—管外側(cè)污垢系數(shù),m2℃/kW;

ri—管內(nèi)側(cè)污垢系數(shù),m2℃/kW;

rf—翅片熱阻,m2℃/kW;

rb—基管和翅片管的接合熱阻,m2℃/kW;

Ao—單位管長(zhǎng)的總外表面積,m2;

Alm—基管的對(duì)數(shù)平均表面積,

Afm—翅片管的對(duì)數(shù)平均表面積,

Ai—單位管長(zhǎng)的管內(nèi)面積,m2;

A*o—基管和翅片管接合部分的表面積,

tls—基管的厚度,

式中:

Db—翅片根部徑;

Df—翅片外徑

2.2.3 對(duì)數(shù)平均溫差:

因?yàn)楸疚牟捎媚媪鞣绞?因而對(duì)數(shù)平均溫差可表示為:

tfs—翅片管的厚度,式中:

△Tmax為(T進(jìn)-t2)和(T出-t1)大者;

△Tmin為(T進(jìn)-t2)和(T出-t1)小者。

3 翅片管的篩選

經(jīng)過綜合比較,本文采用鋼鋁復(fù)合翅片管。鋼鋁復(fù)合翅片管制造工藝先進(jìn),它是鋼和鋁管復(fù)合在專用機(jī)床上軋制而成,使鋼基管與鋁翅片結(jié)合緊密,具有熱阻小、傳熱性能好、強(qiáng)度高、流動(dòng)損失小、防腐蝕性能強(qiáng)、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。與光管相比,在消耗金屬材料相同的情況下具有更大的表面積,從直觀看屬于第一次強(qiáng)化傳熱,但實(shí)質(zhì)上換熱面積增大的同時(shí)帶來了傳熱系數(shù)的提高,達(dá)到二次強(qiáng)化傳熱的目的。其特點(diǎn)就是能有效增加傳熱面積和增大傳熱系數(shù),并且比較容易制造并保證操作的穩(wěn)定性。

經(jīng)過綜合分析比較,本文選用國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的鋼鋁復(fù)合翅片管,基管為鋼,翅片為鋁,采用錯(cuò)列布置。鋼鋁復(fù)合翅片管的形式和尺寸如圖2所示。

圖2 鋼鋁復(fù)合翅片管的形式和尺寸

4 設(shè)計(jì)算例

為了使干濕兩用冷卻塔同時(shí)在干工況和濕工況下滿足冷卻能力,并找到干濕工況的界限溫度,在此舉出一具體算例進(jìn)行分析。

設(shè)計(jì)工況采用濟(jì)南地區(qū)夏季標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況干球溫度T干=34.8℃,濕球溫度T濕=26.7℃,大氣壓力99.4×105Pa,冬季干球溫度T干=-10℃。

設(shè)計(jì)要求:將設(shè)計(jì)流量w水=100m3/h的冷卻水,從進(jìn)口溫度T進(jìn)=35℃冷卻到出口溫度 T出=30℃。

選用雙金屬翅片管換熱器:

翅片管長(zhǎng)L=3.8m,寬度為3.66m;

管內(nèi)徑Di=23mm;

外管徑Do=25mm;

翅片根部徑Db=26.4mm;

翅片外徑Df=57mm;

翅片節(jié)距t=4mm;

翅片高度Hf=15.3mm;

翅片厚度yb=0.4mm;

翅片管間距ST=SR=61.6mm;

λ鋼=0.053kW/m℃;

λ鋁=0.203kW/m℃。

選用的管排數(shù)N為18排,管內(nèi)側(cè)程數(shù) nt,pass為9程。根據(jù)選定的翅片尺寸,通過計(jì)算得到:翅片管總外表面積A:

A=3974.62 m2;

管內(nèi)流體失去的熱量Q1:

在濕工況下,氣溫較高,干濕兩用冷卻塔的性能主要受環(huán)境濕球溫度的影響,通過計(jì)算得出濕式工況下的總傳熱系數(shù)U濕:

U濕=0.205 kW/m2℃對(duì)數(shù)平均溫差 △Tm,濕:

△Tm,濕=3.732℃

因此 Q2,濕=U濕A△Tm,濕=3043.423 kW,大于Q1=583.33 kW,所以在濕工況下滿足冷卻能力。

而在干式工況時(shí),也就是氣溫較低的氣候條件下,干濕兩用冷卻塔的性能主要受環(huán)境干球溫度的影響,濕球溫度的影響較小,因此環(huán)境設(shè)計(jì)干球溫度更為關(guān)鍵。空氣進(jìn)口溫度為-10℃,空氣自下向上橫掠翅片管換熱器,等到空氣流到出風(fēng)口時(shí),由于攜帶熱量,溫度必然上升,那么空氣出口溫度的確定就顯得至關(guān)重要。

通過最佳溫升計(jì)算式:進(jìn)行試算并且驗(yàn)證,得到空氣出口溫度 t2為11.675℃,進(jìn)而計(jì)算出干式工況下的總傳熱系數(shù)U干:

U干=0.0274 kW/m2℃,對(duì)數(shù)平均溫差:△Tm,干:

△Tm,干為30.9166℃,

所以 Q2,干 =U干A△Tm,干 =3367.598 kW,大

于Q1=583.33kW,因而也滿足冷卻要求。

界限溫度由公式Q1=U干A△Tm,干求得。

U干受溫度的影響不大,可以忽略微小變化,從-10～25℃通過計(jì)算U干取平均值得到:

U干=0.0275 kW/m2℃

因?yàn)?

Q1=583.33 kW,

A=3974.62 m2,

因此:

△Tm,干=5.32℃,

即:

再通過最佳溫升公式經(jīng)過試算得到界限溫度t1為25.32℃。

5 結(jié)論

干濕兩用冷卻塔能否在兩種工況下同時(shí)滿足冷卻要求,在很大程度上取決于盤管結(jié)構(gòu)是否具有良好的設(shè)計(jì),以及所采取的計(jì)算方法是否有效。本文從通過對(duì)以上算例分析得到的結(jié)果來看,對(duì)于干濕兩用冷卻塔在濕式工況運(yùn)行時(shí),按照所給公式依次進(jìn)行計(jì)算,最終計(jì)算結(jié)果證明能夠達(dá)到冷卻要求。而在干式工況運(yùn)行進(jìn)行校核時(shí),合理確定空氣出口溫度是判斷是否能滿足冷卻要求的關(guān)鍵,最終得到干濕兩用冷卻塔在干濕兩種工況下都能滿足冷卻能力要求。在界限溫度確定出來后可以得出結(jié)論,在濟(jì)南地區(qū)一年當(dāng)中噴淋水開啟的時(shí)間比較短,根據(jù)濟(jì)南近五十年以來每月的平均溫度來看,在六、七、八月開啟噴淋水,而其他月份以空冷的方式運(yùn)行比較合適。

[1]Baker,D.R,and Shryock,H.A.ComPrehensive Approachtothe Ana lysiso Cooling Tower performance[J].Joumal of Heat Transfer,1961,83:339-350

[2]劉乃玲,陳偉,邵東岳,等.結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)管式蒸發(fā)冷卻器性能的影響[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2007,26(4):29-31

[3]Rule D L.Evaporative Cooling Maintenance to Improve System Efficiency[J].ASHRAE Journal,1994,36(4):22-23